王宇

(卡斯馬汽車系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 200000)

0 引言

現(xiàn)今汽車行業(yè)競爭日漸激烈，眾多汽車公司都在大力開發(fā)新車型，并且縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，從而贏得時間成本。CAE仿真技術(shù)利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能虛擬仿真出實際場景，提前預(yù)測出產(chǎn)品在實際試驗中出現(xiàn)的各種風(fēng)險，并提前避免風(fēng)險，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約實際成本。因此CAE仿真分析已成為汽車開發(fā)過程中的重要一環(huán)，而CAE仿真分析的準(zhǔn)確性在此環(huán)節(jié)中就顯得格外重要。

本文作者以某車型扭轉(zhuǎn)梁后橋的側(cè)向臺架試驗分析為例，詳細(xì)對比了臺架試驗與CAE有限元仿真的計算結(jié)果，對差異較大的局部區(qū)域進(jìn)行了深入研究。利用應(yīng)變花測量得到的應(yīng)力值，與有限元仿真得到的應(yīng)力進(jìn)行對比，給出了較為詳細(xì)的對標(biāo)過程，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了改進(jìn)。

1 對標(biāo)分析方法及結(jié)果

1.1 CAE有限元仿真的設(shè)置

扭轉(zhuǎn)梁橫梁、橫梁內(nèi)加強(qiáng)板、法蘭盤支架材料設(shè)置為S500，彈簧盤、減震器支架、縱梁、襯套、法蘭盤支架材料為S325，統(tǒng)一設(shè)置彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.86 g/cm3。用RBE2剛性單元模擬連接抓取各個硬點周圍的有限元網(wǎng)格，約束車身連接點處左右襯套的所有自由度(3個平移自由度，3個轉(zhuǎn)動自由度)以及約束輪胎左側(cè)法蘭盤處的所有自由度。用RBE2單元模擬輪胎，連接法蘭盤至輪胎接地點，并在輪胎接地點處循環(huán)加載整車坐標(biāo)系下的Y向載荷，載荷大小為0～8 kN，循環(huán)次數(shù)10萬次。有限元模型如圖1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)梁后橋有限元模型

1.2 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向臺架試驗設(shè)置

固定車身連接點襯套位置，固定輪胎左側(cè)法蘭盤位置，用夾具模擬輪胎連接法蘭盤到輪胎連地點，在輪胎連地點處加載Y向載荷為0～8 kN。環(huán)境溫度為室溫，試驗頻率為1 Hz，試驗次數(shù)為10萬次。試驗裝置如圖2所示。

圖2 臺架試驗裝置

1.3 對標(biāo)分析結(jié)果

CAE分析出法蘭支架和縱梁之間的焊縫并無疲勞風(fēng)險，損傷值僅僅為0.3，折算成壽命則為33萬次。當(dāng)在做實際臺架試驗時，且循環(huán)次數(shù)達(dá)到5萬次時，發(fā)現(xiàn)此處產(chǎn)生疲勞裂紋，沒有達(dá)到目標(biāo)循環(huán)次數(shù)10萬次，CAE仿真損傷結(jié)果與實際試驗疲勞裂縫如圖3所示。

圖3 對標(biāo)疲勞裂縫圖

文中針對此處的疲勞問題展開了研究，減少以后類似事件的發(fā)生。

2 切片工藝參數(shù)與材料拉伸試驗研究

首先需要排除是否是由于扭轉(zhuǎn)梁后橋的工藝焊接問題導(dǎo)致，有很多疲勞破壞是由于零部件在實際生產(chǎn)的零件和數(shù)模有些許區(qū)別，并且可能由于焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定造成焊縫處的疲勞破壞，因此需要對產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域進(jìn)行切片，查看其焊接參數(shù)。其切片圖如圖4所示。

圖4 截面切片圖

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，焊接的兩塊板厚與數(shù)?；酒ヅ洌缚p并無外部缺陷和內(nèi)部缺陷，滿足焊接質(zhì)量要求，故可排除是焊接工藝問題造成的疲勞破壞;經(jīng)材料拉伸試驗驗證，其應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與CAE所用材料基本一致，故可排除是材料不合格所導(dǎo)致的疲勞失效。

3 應(yīng)變花結(jié)果對比

3.1 分析研究

排除了工藝焊接質(zhì)量問題、加載約束與材料問題，為了尋找CAE仿真分析與實際產(chǎn)品之間的差異的原因，文中選擇在實際零件上貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變片測量出來的應(yīng)力與CAE分析的應(yīng)力進(jìn)行對比，來查看CAE與實際產(chǎn)品的差別。因為在計算模型疲勞時用的是SN材料曲線，因此只要對比模型的應(yīng)力，就能了解到模型疲勞的差別。又由于貼應(yīng)變片處的測量點基底需要平整、清潔、應(yīng)力梯度均勻、容易貼片等，而模型搭接處的焊縫表面質(zhì)量并不滿足貼應(yīng)變片的要求，因此選擇距離焊縫稍遠(yuǎn)處的平面位置A作為應(yīng)變片測量點，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變片測量點A

3.2 電阻應(yīng)變片的工作原理

應(yīng)變片主要包含三部分：基底、敏感柵和引線。其中的敏感柵是應(yīng)變片的主要部分，一般是由金屬(絲、箔)或半導(dǎo)體繞成柵狀或條狀的結(jié)構(gòu)，采用黏結(jié)劑將其粘貼在基底上，并通過焊接將敏感柵兩頭的電阻絲與引線連接起來[1]。另外敏感柵表面粘貼有保護(hù)作用的覆蓋層，應(yīng)變片示意圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)變片示意

將應(yīng)變片貼到被測物體上，當(dāng)被測物體發(fā)生微小變形時，帶動敏感柵也發(fā)生變形，從而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，再通過一些電路轉(zhuǎn)化成電壓或電流的信號。其存在如下關(guān)系:

(1)

當(dāng)只需要測量已知測量方向的單方向應(yīng)力時，可選用單軸應(yīng)變片。若不知道應(yīng)力方向與大小則一般選用三柵或四柵的應(yīng)變花。因文中所需要測量應(yīng)力的方向和大小均不知，故選用有三柵45°的應(yīng)變花。應(yīng)變花示意圖如圖7所示，實際試驗中應(yīng)變片粘貼圖如圖8所示。

圖7 應(yīng)變花示意

圖8 應(yīng)變花粘貼圖

通過應(yīng)變花可以測量出應(yīng)變花x、y、u3個方向的應(yīng)變，通過這3個方向的應(yīng)變則可求解出最大最小主應(yīng)力，計算公式為：

(2)

式中：彈性模量E為2.05×105MPa，泊松比υ為0.3，σmax為最大主應(yīng)力，σmin為最小主應(yīng)力，εx、εy、εu分別為3個方向的應(yīng)變值。

得到最大最小主應(yīng)力之后，可以推導(dǎo)出Von Mises應(yīng)力的大小。Von Mises準(zhǔn)則是一個綜合的概念，其考慮了第一、第二、第三主應(yīng)力，可以用來對疲勞、破壞等的評價，是彈塑性力學(xué)里的一個力學(xué)概念。其計算公式為：

(3)

3.3 應(yīng)變花測量結(jié)果

為了更好地測量試驗與仿真結(jié)果的差異，且減小單次試驗誤差，選擇了總共6個工況，并且選擇正負(fù)兩個方向加載，加載過程見表1。

表1 試驗加載順序

首先加載整車坐標(biāo)系Y負(fù)方向2 kN，并保持10 s。再以1 Hz頻率循環(huán)加載-2～0 kN的力并來回做10個循環(huán)。再加載Y負(fù)方向4 kN力，保持10 s。再以1 Hz頻率循環(huán)加載-4～0 kN的力并來回做10個循環(huán)。以此類推，加載-6、8、10、12 kN的載荷。

在加載過程當(dāng)中通過應(yīng)變花，得到測量點A的3個方向的應(yīng)變值如圖9所示。

圖9 應(yīng)變花測量數(shù)據(jù)

通過公式計算，最終得到應(yīng)變花測量結(jié)果與CAE分析結(jié)果，應(yīng)力對比見表2。

表2 應(yīng)變花測量結(jié)果與CAE仿真結(jié)果(剛性單元RBE2)應(yīng)力對比

通過Von Mises應(yīng)力對比，發(fā)現(xiàn)在有限元計算結(jié)果與應(yīng)變片采集的結(jié)果并不相同，有接近50%的區(qū)別。這個應(yīng)力差別有可能是造成實際產(chǎn)品疲勞裂縫產(chǎn)生的原因。而在實際試驗中，并非只是通過應(yīng)變花測量了點A的應(yīng)力，同時測量了橫梁和縱梁區(qū)域上的應(yīng)力，但其他區(qū)域應(yīng)力基本保持一致，只有此測量點A應(yīng)力差異較大。因此需要對有限元模型的設(shè)置進(jìn)行深入的研究。

4 改進(jìn)方法

4.1 帶臺架夾具分析

在排除有限元模型的材料、網(wǎng)格質(zhì)量、約束加載方法，以及實際零件的焊接質(zhì)量之后，文中對比CAE模型與實際臺架試驗后發(fā)現(xiàn)，在CAE模型中使用剛性單元來模擬臺架夾具裝置，但在實際試驗中，臺架夾具裝置可能由于自身剛度變化的影響導(dǎo)致實際產(chǎn)品應(yīng)力分布的變化，因此文中決定將試驗夾具引入到CAE模型中。CAE模型如圖10所示。

圖10 帶夾具的CAE模型

通過分析得到應(yīng)力結(jié)果見表3。

表3 CAE仿真結(jié)果(臺架夾具)

由表2和表3可知，帶臺架夾具的仿真結(jié)果與實際試驗結(jié)果略有一些接近，但是仍然還有較大的差異。

4.2 設(shè)置模型接觸分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，有限元在建模時并沒有考慮到試驗夾具與法蘭盤之間的接觸，法蘭盤與法蘭盤支架之間的接觸，以及螺栓預(yù)緊力的影響。而這些接觸產(chǎn)生的接觸力可能會造成應(yīng)力分布的變化。

于是建立螺栓有限元模型，在螺栓、法蘭盤、法蘭盤支架、試驗夾具之間兩兩建立接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.1，螺栓預(yù)緊力選用50 kN，并利用非線性軟件Abaqus對模型進(jìn)行非線性分析。得到的結(jié)果見表4。

表4 CAE仿真結(jié)果(臺架夾具與接觸)

通過對比表2—4的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有接觸的模型應(yīng)力結(jié)果和應(yīng)變片測量結(jié)果十分接近，本文作者分析認(rèn)為，施加在夾具上的力通過螺栓摩擦力與接觸力傳遞到法蘭盤與法蘭盤支架上，法蘭盤同時也通過接觸力擠壓法蘭盤支架。當(dāng)受到側(cè)向朝扭梁中間方向的載荷時，由于接觸力的原因，會造成法蘭盤支架下側(cè)受力較大，上側(cè)受力減小。從而導(dǎo)致法蘭盤支架翻邊處的應(yīng)力變大。

將帶接觸的模型用Ncode進(jìn)行疲勞分析，最終得到的疲勞結(jié)果如圖11所示，得到疲勞損傷值為1.94，計算得到壽命值為5.2萬次，與實際臺架試驗結(jié)果基本一致。

圖11 疲勞計算結(jié)果

5 結(jié)論

文中針對CAE仿真結(jié)果和臺架試驗結(jié)果不一致的情況，對問題深入研究，利用各種有效途徑如切片、材料拉伸試驗、貼應(yīng)變片等來分析造成結(jié)果差異的原因，并通過在CAE模型中考慮試驗夾具模型并設(shè)置各接觸面之間的接觸關(guān)系，最終使得CAE的仿真結(jié)果與應(yīng)變片測量結(jié)果和臺架疲勞試驗結(jié)果基本保持一致，極大地提高了CAE分析的準(zhǔn)確性，為后續(xù)繼續(xù)開發(fā)扭轉(zhuǎn)梁后橋提供了有效的有限元疲勞驗證方法。在今后的CAE有限元仿真中，應(yīng)充分考慮各種實際狀況，才能得到更加精準(zhǔn)的模擬結(jié)果。